基于modis的森林火灾监测系统的研究

基于modis的森林火灾监测系统的研究

0森林火灾的成因森林资源是地球生态系统的重要单位，对世界环境和气候有重大影响。它不仅是气候变化的重要指标，也是地球上最具影响力的保护因素。火灾是造成森林破坏的主要方式之一,全世界森林因火灾造成的损失为1‰,而林火多发国家其损失可达到2‰～8‰。近年来,由于全球变暖、干旱少雨等原因,森林火灾发生的频度和危害程度更大。森林火灾的灾害性质要求及时、准确、有效地监测可能和已经发生的森林火灾,这对减少灾害损失、保护森林资源和野生动物、掌握气候变化规律、维护生态平衡都具有非常重要的意义。1森林火灾情况重庆市位于我国西南部,东经105°11′～110°11′,北纬28°10′～32°13′之间。地处长江上游,与湖北、湖南、贵州、四川及陕西等省接壤,总面积82400km2。2006年夏季,重庆市干旱少雨且持续高温,导致该市森林火灾频频发生,自8月1日至13日,平均每天6起森林火灾,高峰时每天10余起,非常罕见。74起火灾使3.3km2森林起火燃烧。MODIS数据由于其全球免费接收且涉及波段广(36个波段)、数据更新频率高,对于实时研究区域生态环境变化有着极大的使用价值,本文所用的数据为重庆市2006年8月的MODIS数据。2基于信息的密度补偿火灾遥感监测波段(λ)选择的理论基础是维恩位移定律(WilhelmWien’sDisplacementLaw),即λmax=c/T(1)式中,c=2898μm·K,是维恩位移常数(Wien’sDisplacementConstant);T为对应的黑体辐射温度,和其峰值波长成反比。如果火区的温度为600K,可以推算出其辐射峰值波长为4.8μm,随着温度的升高,其辐射对应峰值波长向短波方向移动。在中红外的大气窗区,MODIS的相应波段为20～23波段,这些波段不仅可以较清楚地显示火点、火线的形状、大小、位置,而且对小的隐火、残火,也有较强的识别能力;另一个地表温度探测的大气窗区是8～14μm,根据维恩位移定律可知其峰值辐射波长在9.7μm附近。MODIS的31和32波段设计用于地面常温下的温度反演,只对300K左右的常温目标敏感,对高温火点不敏感。对于林火火点面积小的情况,火点本身虽然温度高,但对整个像元的贡献不大,这时31、32波段对于火点的监测有着极其重要的意义。另外,MODIS在设计时对于火点探测并未考虑到第7通道(2.105～2.155μm),该通道波段星下点地面分辨率为500m,该波段对于林火等600～1000K的高温目标有明显反应,而对300K左右的常温则基本没有反应,该通道经常被林火监测者所忽略,经研究,将本波段用于高温林火点监测可大幅增强林火的识别能力和准确度。一定温度下任何物体都向外界辐射能量,物体辐射出射度B(i,T)是波长与温度T的函数,对于黑体可用普朗克函数表示为B(i,T)=c1λ−5π[exp(c2/λT)−1](2)B(i,Τ)=c1λ-5π[exp(c2/λΤ)-1](2)式中,B(i,T)为辐射出射度(Wm-2·μm-1·sr-1);λ为波长(μm);T是物体温度(K);c1、c2是普朗克函数常量,c1=3.7418×10-16Wm2,c2=1.4388×10-2mK。对以上公式推导,有T=c2λln[c1πλ5B(i,T)+1](3)Τ=c2λln[c1πλ5B(i,Τ)+1](3)对某一特定传感器来说,用式(3)求得的T还必须根据传感器特性进行数学订正才能得到所要波段的亮度温度Tλ=T−TciTcs(4)Τλ=Τ-ΤciΤcs(4)式中,Tλ为波长λ对应波段的亮度温度;Tci和Tcs分别为温度订正的斜率和截距。通过MODIS提供的光谱响应数据计算获取Tci和Tcs。表1给出了MODIS第21、31、32波段的3个参数具体数值。MODIS传感器可以记录到所探测范围的DN值,其以0～32767之间的整数存取。该数值是从辐射值经过平移和缩放得到的,而平移值和缩放值比例存放在OFFSET和SCALE数据项中,可以从MODIS头文件信息中得到。因此,可以用公式计算相对应的辐射值l,即式(3)中的B(i,T)辐射值l=B(i,T)=(DN-OFFSET)×SCALE(5)由此计算公式中的辐射出射度B(i,T)、波长λ、校正参数Tcs及Tci,即可求得所要波段的亮度温度值。图1、2是由ENVI软件计算的21波段与31波段亮温图。3数据处理和结果3.1插页彩片高温火点的判别高温火点的探测主要利用第7波段。插页彩片19是MODIS7、4、3波段彩色合成图像,其左上角为局部放大图像,图中箭头标注为2处明显火点。左边火点温度很高,为明火点,可见烟羽,右边火点疑为闷烧火点。根据获取现实资料显示,2006年8月11日12时,璧山县奥康工业园虎峰山发生森林火灾(对应火点1);2006年8月11日23点30分,重庆市沙坪坝区曾家镇突发森林大火(对应火点2)。此图像获取时间为2006年8月11日,MODIS(TERRA)过境时间为当地时间10:30左右,这也极可能是火点2未见烟羽的原因。另外,从图中也可发现巴南区的一些火点。插页彩片19左上角的局部放大图中可明显看到火点1处出现亮温异常,表现在第20、22波段温度低于绝对零度及出现无效值。图3是1号点4个通道的亮度温度图。图4是波段22和波段23的亮度温度散点图,图5为波段20和波段21的散点图。从图中可看出,22波段和23波段、20波段和21波段具有相关性。而且可清晰看到异常点,这些异常点远离点群,极有可能是由第20波段和第22波段饱和所致,从hdf文件中可查得其不确定性值在22波段。有很多研究者在利用20～23波段时仅利用第21波段,因为其波段温度不易饱和,对其它波段,尤其是第22波段和20波段,在数据出现异常时采取了舍弃数据的做法,实际没有这个必要,我们在研究中发现这些“异常数据”结合第7波段,可给出我们高温火点的判据。为了说明问题,再列举2006年8月12日的数据。插页彩片20和21分别是2006年8月12日和2006年8月13日MODIS7、4、3波段RGB合成图,从图中可清晰看到12日图中的高温火点,13日图中已不见火点,说明我们判断的火点确实是森林火点,而非地面热源。由此可见,高温火点利用反射红外波段(第7波段)和中红外波段容易判断,20～25通道的特性也可以辅助判断高温火点。3.2基于ndvi的热点判断方法非高温火点主要包括3类:一是火灾发生前,温度尚未达到燃点;二是火灾发生后,温度已降低,但高出常温;三是火点范围小,对像元的贡献小,虽然火点本身温度高,但整个像元的温度并不高。非高温火点在监测中存在着诸多难点和不确定性,尤其是对于第三类。很多火灾监测研究者定义燃烧面积大于或等于一个像元面积的为火点,因此可用综合阈值法进行判别,将可见光、近红外、中红外和热红外几个波段结合应用。以可见光和近红外波段(MODIS波段1和波段2)生成NDVI,NDVI有两个特征用于判断火点:一是火点发生地的NDVI一定是可燃物,即其NDVI不高,一般小于0.3;二是火点发生周围的NDVI一般是未燃烧植被,其NDVI较高。中红外波段仅利用21波段,主要是考虑到21波段不易饱和、信噪比高的特性;热红外波段的31和32波段是亮温反演的关键,在此利用了31波段;同时,还根据火点特性利用了中红外波段21和热红外波段31的亮度温度差判断火点。综合阈值为⎧⎩⎨⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪NDVI≤0.3BT21−BT31≥15BT21≥315BT31≥aver(BT31)(6){ΝDVΙ≤0.3BΤ21-BΤ31≥15BΤ21≥315BΤ31≥aver(BΤ31)(6)式中,NDVI为标准植被指数,无量纲,由250m分辨率的MODIS第1、2波段计算得到,用临近像元法重采样到1km分辨率,并和其它相关波段严格配准;BT21和BT31分别为第21和第31波段亮温,单位为K;aver(BT31)为第31波段无云像元亮温平均值,单位为K。由上面综合阈值可判断疑似火点,且还需要放在NDVI背景下判断疑似火点背景像元是否为森林像元。插页彩片22是利用综合阈值评判法,作用于2006年8月11日MODISNDVI图的效果,红色区域为疑似火点,位于低NDVI区的高温点疑为城市热岛。该图中疑似火点的进一步判断主要依据背景像元,如果可以结合土地利用图进行判断,精度会更高。从图中可以排除大部分由于城市热岛引起的高温点,其它高温点为火点或地面有高温设施点(需进一步根据地面实况判断)。3.3重庆地区火灾情况分析为了进一步检验高温火点直接判别法和非高温火点综合阈值判别法,我们又对2006年8月8日和8月26日数据做了火点信息提取与分析。结果分别见插页彩片23～26。从这几天MODIS数据的林火判断结果可以看出,本文方法对于实际的火点可做出正确判断,但存在一些高温点,是否火点尚需更多的数据综合判断。由于重庆地区云雾较多,我们所获取的数据也是重庆地区火灾频发,天气云雾影响较少的几天数据,但从总的实际判别来看,用MODIS监测林火是比较理想的。根据重庆气象台所发布的资料,重庆市于2006年8月20日、26日、30日发布红色预警信号,根据8月以来持续的重庆高温干旱和8月26日的火灾分析,认为重庆还有可能在持续的高温下有一定的火灾隐情发生,故对8月29日、8月30日数据进行了监测,通过阈值法对比NDVI图预测出即将发生的火灾点位于重庆渝北区、北碚区范围,31号的火情通报证实了分析的可靠性。插页彩片27～30分别为2006年8月29日、8月30日火点信息提取与分析图。4基于信号和光谱方法的热点判别方法MOD